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1、西安建筑科技大学毕业设计（论文）全自动洗衣机的PLC控制系统设计姓 名 学 号 专 业 机电一体化 层 次 指导教师 2012年10月摘 要随着科学技术不断进步和社会飞速发展，洗衣机成为人民日常生活息息相关的家用电器产品。而从全自动洗衣机诞生以来，洗衣机的全自动化、多功能化、智能化是其发展方向。其内部的电路控制系统就不断的被改进。设计方法也开始多种多样，从而使全自动洗衣机显得更加智能化。基于全自动洗衣机的应用日益广泛，本次设计利用三菱公司生产的PLC控制全自动洗衣机，与传统的继电器逻辑控制系统相比较，可编程控制器(PLC)以微处理器为核心，普遍采用依据继电接触器控制系统电气原理图编制的梯形图语
2、言进行程序设计，编程容易，功能扩展方便，修改灵活，而且结构简单，抗干扰能力强。三菱FX2N系列可编程控制器指令丰富，可以接各种输出、输入扩充设备，有丰富的特殊扩展设备，其中的模拟输入设备和通信设备更是符合全自动洗衣机控制系统的要求与特点。本文选择三菱FX2N-32MR为核心部件，着重进行硬件接口设计，利用梯形图和语句表进行编程，实现了全自动洗衣机控制系统的自动化，同时根据全自动洗衣机控制系统总体控制要求和特点,确定PLC 的输入输出分配。本文还介绍了衣机的PLC控制系统，全自动洗衣机的基本结构和硬件设计，重点介绍了关于三菱系统的全自动洗衣机PLC的设计。为方便读者更快地了解,熟悉本设计,作为基
3、础知识,还介绍了有关的PLC的基本结构和工作原理等，使全自动洗衣机能更加智能化,更加完善。关键词：PLC；电气控制；自动化；全自动洗衣机Abstract With the development of science and technology and the rapid development of society, washing machine became the peoples everyday life, household appliances products. From the inception of automatic washing machine, washing
4、machine full automation, multi-functional, intelligent is its development direction. The internal circuit control system is constantly being improved. Design began to diversity, so that the automatic washing machine is more intelligent. Based on the full automatic washing machine is more and more wi
5、dely used, the design of the Mitsubishi Co production of the PLC control is full automatic washing machine, and the traditional relay logic control system, programmable logic controller ( PLC ) to the microprocessor as the core, generally adopted according to the relay contactor control system elect
6、rical schematic diagram of the ladder diagram language program design, programming easy, convenient function expansion, modify and flexible, and has the advantages of simple structure, strong anti interference capability. Mitsubishi FX2N series programmable controllers instruction is rich, can meet
7、all kinds of input output, expansion device, has the rich special expansion device, wherein the analog input devices and communications equipment is consistent with full automatic washing machine control system requirements and characteristics. This paper choose the Mitsubishi FX2N-32MR as core part
8、, focused on the design of hardware interface, using the ladder diagram and sentences to programming, realize the full automatic washing machine control system automation, at the same time according to the automatic washing machine control system general control requirements and characteristics, det
9、ermined the PLC input and output distribution. This paper also introduces the sewing machine PLC control system, full automatic washing machine and basic structure of hardware design, focusing on Mitsubishi system for fully automatic washing machine PLC design. For the convenience of the reader to q
10、uickly know, familiar with the design, as the basic knowledge, also introduced the PLC basic structure and working principle of the automatic washing machine, more intelligent, more perfect. Key words: PLC; electrical control; automation; full automatic washing machine目 录第1章 绪 论41.1 课题的研究背景41.2 洗衣机发
11、展概况和现状41.3 课题研究的目的与意义51.4 本课题研究的主要内容6第2章 全自动洗衣机的系统结构和基本工作原理72.1 系统结构72.2基本工作原理82.3 全自动洗衣机控制面板及控制系统92.4 洗涤脱水系统102.5排水和进水系统102.6电动机及传动系统10第3章 可编程控制器及全自动洗衣机PLC控制系统123.1可编程控制器的基本概念及工作原理123.1.1 PLC概述123.1.2 PLC的工作原理123.2全自动洗衣机的PLC控制系统143.2.1控制系统的比较143.2.2洗衣机的PLC控制系统概述14第4章 硬件设计164.1全自动洗衣机的硬件系统设计及控制电路图164
12、.2进水电磁阀174.3排水阀与电磁铁174.4水位开关和水位传感器174.5减速离合器184.6电机和电容18第5章 基于三菱PLC的全自动洗衣机的设计195.1控制要求195.2硬件电路设计195.2.1PLC选型195.2 .2I/O点分配195.2.3 I/O接线图205.3软件电路设计215.3.1 控制方案215.3.2全自动洗衣机的工作顺序215.3.3 梯形图23第6章 全自动洗衣机的系统调试256.1中间变量的记录256.2系统调试25附录：指令表27参考文献27结束语29致 谢30第1章 绪 论1.1 课题的研究背景本次设计基于PLC的全自动洗衣机控制，本文的课题源于市场上
13、洗衣机产品。采用PLC控制开发的周期短，开发成本低，可以直接用于工业现场控制。PLC控制具有实时性、信号处理时间短、速度快、更能满足各个领域大、中、小型工业控制项目，可靠性高，丰富的I/O卡件，质优价廉，性价比高，安装简单，维修方便，PLC控制能在高粉尘、高噪声、强电磁干扰和温度变化剧烈的环境下正常工作。因为它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能，所以在使用中，硬件相对简单，编程语言也相对简单，并且测试容易，维修方便，更可以提高控制系统设计的灵活性及控制系统的可靠性。本设计以操作简单、使用可靠、维护修理方便作为主要设计方向。 1.2 洗衣机发展概况和现状从古到今，洗衣
14、服都是一项难于逃避的家务劳动，在洗衣机出现以前，这项劳动并不像田园诗描绘的那样充满乐趣、手搓、脚踩、棒击、冲刷、摔打。这些不断重复的简单的体力劳动，留给人的感受常常是辛苦劳累。世界上第一台洗衣机于1858年诞生，但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国发明了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1910年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国改造了洗衣
15、机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。1932年，美国研制成功第一台前装式滚筒洗衣机。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机出现引领新的发展方向，让人耳目一新。90年代，由于电动机调速技术的提高，洗衣机实现了较宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。全自动洗衣机其特点是能自动完成洗涤，漂洗和脱水的转换，整个过程不需要人工操作。这类洗衣机均采用套筒式结构，其进水，排水都采用电磁阀，由程序控制器按人们预先设计好的程序不断发出指令，驱动各执行器件动
16、作，整个洗衣过程自动完成，所用的程序控制器可分为电动机驱动式和单片机式。从控制方式的发展阶段上分，全自动洗衣机可分为两大类：第一类：电动控制洗衣机，它的程序控制器由电动元件组成。第二类：电脑控制洗衣机，它的程序控制器由微型计算机组成。电动控制全自动洗衣机是较早出现的自动控制类家用电器，其产品类型还属于传统的机械产品，是自动控制的初级阶段。随着计算机的及微电子技术的发展，自动控制系统正在逐步实现硬件化。因此，电动控制洗衣机将逐步退出家电舞台。全自动洗衣机从结构上分有波轮式、搅拌式、滚筒式。目前,国内市场上销售的大都是波轮式和滚筒式，供应最多的是波轮式洗衣机。波轮式洗衣机的特点是洗净率高,但对衣服
17、的磨损很大,随着人们生活水平不断地提高，丝绸,毛料,羊毛等大量走进普通家庭,厂商又适时地推出了滚筒洗衣机,它最大的优点是磨损率小,但洗净率比波轮式低,价格高。洗衣机产品可以分三类：普通型、半自动型和全自动型。普通型和半自动型洗衣机，都需要人为参与操作，才能完成洗衣、甩干、排水全过程；而全自动洗衣机在整个洗涤、甩干、排水过程中，无需人为操作和监控。国内外洗衣机品牌有海尔、小天鹅、荣事达、松下、惠而浦水仙、LG熊猫、西门子、日立好用。1.3 课题研究的目的与意义本课题主要着重于全自动洗衣机的控制，要求洗衣机能实现进水、洗涤、排水、脱水、报警，所采用的控制方法操作简单、稳定可靠、维护与维修方便。控制
18、方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计的时间、调试周期，且要降低成本。传统的洗衣机采用继电器控制的优点是装置结构简单、价格便宜、抗干扰能力强。但是，这也是随之带来的一些问题，如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗了大量的电能。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改制、安装和调试。这种电路接线多，只适用于小型的控制电路。采用PLC控制比继电器控制好的多，我们采用PLC来控制。 （1
19、） 可靠性高，抗干扰能力强，高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。（2） 配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。（3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。（4） 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造，PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程
20、序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5） 体积小，重量轻，能耗低，由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。1.4 本课题研究的主要内容本课题需研制出可靠性高、易于操作的全自动洗衣机控制方法，该系统采用PLC控制，主要包括电动机正反转控制、离合器控制、进排水电磁阀控制、循环控制、保护和联锁。研究的具体内容包括：（1） 深入了解洗衣机的发展、结构及控制要求。（2） 控制系统设计。包括硬件设计，PLC的选择，软件设计，编程方法。 （3） 对编写好的编译程序进行实际调试。第2章 全自动洗衣机的系统结构和基本工作原理2.1 系统结构全自动洗衣机的由内外桶、进
21、水口、启动和停止按钮、控制器、进水按钮、水位开关、排水口和洗条电机组成。洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的，外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相通。该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮
22、用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。系统结构框图如下：2.2基本工作原理全自动洗衣机综合运用了大量力学、电学、光学等知识，以下就其原理和构造作一分析。洗衣机的洗涤过程主要是在机械产生的排渗、冲刷等机械作用和洗涤剂的润湿、分散作用下，将污垢拉入水中来实现洗净的目的。首先充满于波轮叶片间的洗涤液，在离心力的作用下被高速甩向桶壁，并沿桶壁上升。在波轮中心处，因甩出液体而形成低压区，又使得洗涤液流回波轮附近。这样，在波轮附近形成了以波轮轴线为中心的涡流。衣物在涡流的作用下，作螺旋式回转，吸入中心后又被甩向桶壁，与桶壁发生摩擦。又由于波轮中心是低压区，衣物易被吸在波轮附近，不断地与波轮发生摩擦，如同
23、人工揉搓衣物，污垢被迫脱离衣物。其次，当衣物被放进洗涤液之后，由于惯性作用运动缓慢，在水流与衣物之间存在着速度差，使得两者发生相对运动，水流与衣物便发生相对摩擦，这种水流冲刷力同样有助于污垢离开衣物。再次由于洗衣涌形状的不规则，当旋转着的水流碰到桶壁后，其速度和方向都发生了改变，形成湍流。在湍流的作用下，衣物做无规则地运动并翻滚，其纤维不断被弯曲、绞纽扣拉长，衣物相互相摩擦，增大了洗涤的有效面积，提高衣物的洗净的均匀性。全自动洗衣机是通过水位开关与电磁进水阀配合来控制进水、排水以及电机的通断，从而实现自动控制的。电磁进水阀起着通、断水源的作用。当电磁线圈断电时，移动铁芯在重力和弹簧力的作用下，
24、紧紧顶在橡胶膜片上，并将膜片的中心小孔堵塞，这样阀门关闭，水流不通。当电磁线圈通电后，移动铁芯在磁力作用下上移，离开膜片，并使膜片的中心小孔打开，于是膜片上方的水通过中心小孔流入洗衣桶内。由于中心小孔的流通能力大于膜片两侧小孔的流通能力，膜片上方压强迅速减小，膜片将在压力差的作用下上移，闭门开启，水流导通。水位开关实际上是一个压力开关。气室的入口与洗衣桶中的贮气室相联接。当水注入洗衣桶后，贮气室口很快被封闭，随水位上升，贮气室的水位也上升，被封闭的空气压强亦增大，水位开关中的波纹膜片受压而胀起，推动顶杆运动而使触点改变，从而实现自动通断。智能型模糊控制的全自动洗衣机还可以自动判断水温、水位、衣
25、质衣量、衣物的脏污情况，决定投放适量的洗涤剂和最佳的洗涤程序。其方法是：在洗衣桶内注入一定量水后使电机低速运转，平稳后快速断电，洗衣桶在惯性作用下带动电机继续转动。此时，电机绕组产生反电动势，对其半波整流并放大整形后获得一矩形脉冲系列。通过分析脉冲个数和脉冲宽度。就能得到衣质衣量情况。衣物的脏污程度是通过水的透明度来判断的。在洗衣桶的排水口处加一红外光电传感器，使红外光通过水而进入另一侧的接收管。若水的透明度低，接收管获得的光能小，说明衣物较脏。脱水时采用压电传感器。当脱水桶高度旋转时，从脱水桶喷射出来的水作用于压电传感器上，根据这个压力变化，自动停止脱水运转。2.3 全自动洗衣机控制面板及控
26、制系统全自动洗衣机控制面板由工作指示区、编程选择键、增键、减键、和启动键组成。全自动洗衣机一般采用轻触式开关，在按下开关后，字符旁边的指示灯会亮。当指示灯亮起表示程序选中，指示灯闪烁表示正在执行此程序，指示灯熄灭表示程序未选择或执行完毕。全自动洗衣机电气控制系统包括微处理器、排水电磁铁、电容器、门开关、按键开关、指示灯、中间继电器，水位压力开关、蜂鸣器及进水电磁阀等部件组成。通过微处理器，能自动完成进水，洗涤（漂洗）、排水、脱水、报警等全部程序，只需设计软件就可以来达到预想控制的目的。2.4 洗涤脱水系统它主要有盛水桶，洗涤桶和波轮组成。盛水桶又称为外桶，主要用来盛放洗涤液。盛水桶固定在钢制底
27、板上，通过4根吊杆悬挂在洗衣机箱体上。电动机，离合器，排水阀等部件都装在桶底下面。洗涤桶又称为脱水桶或者离心桶，也称为内桶，它的主要功能是用来盛放衣物，在洗涤或漂洗时配合波轮完成洗涤或漂洗功能，在脱水时便成为离心式的脱水桶。波轮是全自动洗衣机中对衣物产生机械作用的主要部件。按波轮的形状来分，基本上有小波轮（直径在160mm左右）的涡卷式水流和大波轮（直径在300mm左右）新水流两类。2.5排水和进水系统波轮式全自动洗衣机的进排水系统都采用了电磁阀控制。为了对桶内的水位进行检测和控制，洗衣机上都安装有水位控制器（水位开关）。波轮式全自动套桶洗衣机使用最多的水位开关是空气压力式开关，主要有气压传感
28、器装置，控制装置及电触点开关3部分组成，用来监视水位的高低。此外电磁阀分进水和排水电磁阀，进水电磁阀是洗衣机上的自动进水开关，它受水位开关动断触点的控制。而排水电磁阀是全自动洗衣机上的自动排水装置，同时还起改变离合器工作状态。进水、排水电磁阀是采用电流流过线圈形成磁场的原理，洗衣机电磁阀在进，排水时使用，220V交流电压与电磁阀线圈接通，形成磁场，电磁线圈吸合。自动打开香蕉阀门，洗衣机里的水就顺着管道流出去了。断电后，电磁阀线圈失去电流，磁场消失，电磁铁松开，橡胶阀门自动关闭，洗衣机里的水就流不出去了。2.6电动机及传动系统波轮式全自动套桶洗衣机的电动机及传动系统主要由电动机和离合器组成，离合
29、器又有普通离合器和减速离合器两种。其中普通离合器用在采用小波轮的套桶洗衣机上，这种洗衣机在洗涤或者漂洗时波轮的转速和脱水时离心桶的转速相同，目前各种大波轮新水流套桶洗衣机普遍采用减速离合器，它在洗涤，漂洗时波轮的转速较慢，而脱水时离心桶的转速较快。电动机同时作为洗涤和脱水时的动力源，普遍采用主，副绕组完全对称的电容式电动机。由于一般全自动套桶洗衣机的额定洗涤容量较大，因此电动机的功率较大。采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理如图所示：图采用减速离合器的全自动套桶洗衣机传动系统的原理图电动机与固定在离合器下端的大传动带盘之间用V带传动。经第一级减速后大传动带盘得到150r/min的转速
30、。当洗衣机处于洗涤或漂洗状态时，再经离合器内部的行星齿轮减速后，使波轮得到175r/min低转速。此时，洗涤（脱水）桶不动。当洗衣机处于脱水状态时，离合器输出的是未经减速的850r/min的高转速，驱动脱水桶和波轮作同步高速运转。对于使用普通离合器的小波轮套桶洗衣机来说，有区别的仅仅是离合器内部没有行星齿轮减速机构，因此在洗涤或漂洗时其波轮的转速与脱水时的转速时相同的。 第3章 可编程控制器及全自动洗衣机PLC控制系统3.1可编程控制器的基本概念及工作原理3.1.1 PLC概述可编程序控制器（Programmabie Logic Controller,缩写PLC）是以微处理器为基础，综合计算机
31、、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置。可编程序控制器是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种.小批量生产的需要，生产.发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC从1969年问世以来，虽然至今还不到40年，但由于其具有通用灵活的控制性能.简单方便的使用性能，可以适应各种工业环境的可靠性，因此在工业自动化各领域取得了广泛的应用。有人将它与数控技术、CAD/CAM技术工业机械人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。可编程序控制器在我国的发展与应用已有30多年的历史，现在它已经广泛应用于国民经济的各个工业生产领域，成为提高传统工业装备水平和技术能力的重要设备和强大支柱。
32、随着全球一体化经济的发展，努力发展可编程序控制器在我国的大规模应用，形成具有自主知识产权的可编程序控制器技术，应该是广大技术人员努力的方向。3.1.2 PLC的工作原理PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式-扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区
33、别了。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。1.输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。2.用户程序执行阶段在用户程序执行
34、阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。3.输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。PLC的扫描工作过程如图1-2、图1-3所示 用户输出设备输入端子输入
35、锁存器输入映象寄存器输出映象寄存器输出锁存器输出端子程序执行用户输入设备写读读 图1-2 PLC的扫描工作过程图输入刷新 程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新 图1-3 PLC的扫描周期图3.2全自动洗衣机的PLC控制系统3.2.1控制系统的比较 PLC系统的特点：（1）可靠性高，PLC作为一种通用的工业控制器，它必须能够在各种不同的工作环境中正常工作。对工作的环境要求较低，抗外部干扰能力强，平均无故障时间长。（2）使用方便灵活，PLC采用了基本单元扩展或者是模块化的结构形式，因此，输入/输出信号的数量，形式，驱动能力等都可以根据实际控制要求进行选择与确定，而且在需要时可以随时更换，近年来，P
36、LC的特殊模块增多这些可以满足不同的控制要求，使PLC的使用更加灵活与多变。（3）编程简单，PLC的优越性主要体现在它采用了独特的，多种面向广大工程设计人员的编程语言，如指令表，梯形图，逻辑功能图，顺序功能图等，程序简洁，明了适合各类技术人员的传统习惯，即使是没有计算机知识的人员也很统一掌握，特别是梯形图与逻辑功能图，形象直观，动态监测效果逼真，且与计算机控制容易。单片机系统的特点：（1）要求环境，单片机对环境的适应能力较低，可靠性差。（2）编程和PLC相比难以学习，主要是单片机采用汇编语言或者是C语言，这些高级语言和PLC语言相比，难以学习。（3）功能单一只具有使用中所需要的功能。但是，它结
37、构简单，处理速度快。3.2.2洗衣机的PLC控制系统概述全自动洗衣机采用PLC控制系统将大大提高工作效率，和适应工作环境的能力。在全自动洗衣机中，洗衣机洗涤、脱水程序是由单片机为中心控制系统工作的。首先由于单片机的指令系统相对复杂，编写洗涤、脱水程序相对复杂；其次，在设计控制系统硬件时要有多种电路保护装置，如电流保护、电压保护、过载保护、过热保护及欠压保护等等 这样增加了硬件的复杂性，隐含较高的故障率无形地增加了维修成本费用，在各种控制系统中广泛运用的PLC能克服单片机的缺点。它是整体模块，集中了驱动电路、检测电路和保护电路以及通讯联网功能。因此在运用中，硬件也相对简单，提高控制系统的可靠性。
38、另外它的编程语言也相对简单。典型的PLC控制系统的硬件组成框图如图1所示：图1 PLC控制系统的硬件组成框图3.2.3 PLC的设计步骤 开发应用PLC 的设计任务分为硬件和软件设计两部分。硬件设计主要包括: （1）确定安排PLC 的输入、输出点; （2）设计外围电路, 包括主电路; （3）选购PLC 并进行现场安装接线等内容；软件设计, 大多数用梯形图和指令程序, 主要包括: （1）设计控制流程, 根据工艺要求先画出工作循环,如有必要再画详细的状态流程图;（2）根据工作循环图, 画出虚拟的电路图继电器梯形图;按梯形图编写指令程序表;（3）系统调试: 根据设计要求, 对程序进行调试和修改, 必
39、要时还可对硬件进行修改, 直到满足要求；第4章 硬件设计4.1全自动洗衣机的硬件系统设计及控制电路图全自动洗衣机的工作过程包括启动、进水、洗涤、排水和脱水等功能。在实现控制过程中，各种采用信息都是通过控制中心进行各种判断、比较和选择，在经信息线路反馈给洗衣机各控制执行机构，决定洗衣机的工作状态。如图3.1所示，由PLC控制洗衣机各种动作典型的系统控制图：c由图4.1可知，PLC在系统中式处中心位置的，水位开关是PLC的输入信号控制开关、进水阀、排水阀和电机是洗衣机各种动作的执行机构。其中进水阀和排水阀由PLC给定信号来决定其工作状态；电机的工作状态也由可知中心PLC给定信号来决定，而电机的正反
40、状态直接决定了洗衣机的洗涤状态和脱水状态。另外由于洗衣机工作过程是顺序过程，所以利用PLC作为洗衣机的控制系统是可行的。硬件设计的整体思路就是通过PLC 输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。如图所示。图4-2控制电路图图中“正转”、“反转”、“脱水”为控制电动机电源方向的三个继电器组，它们的线圈分别与PLC的输出端“ Y3”“ Y4”“ Y6”相连，受控于PLC的输出信号。其中正转组和反转组是通过变频器的限制后接入电动机的，因此，改变变频器参数就可以改变洗涤和漂洗时的速度。而脱水继电器组直接与电源和电动机相连，这样，当洗衣机处于脱水状态时，电动机按额定转速工作。所以，在演示时转速会
41、和洗涤漂洗有所区别。硬件设计的整体思路就是通过PLC 输出的数字信号控制继电器组，达到控制电路的目的。如图所示。4.2进水电磁阀进水电磁阀是保证全自动洗衣机正常工作的关键部件，它通过接受PLC的指令和水位传感器的反馈信号控制洗衣过程中的进水动作。全自动洗衣机进水电磁阀结构主要由阀体、电磁线圈、可动铁芯、橡皮膜、过滤网灯部件组成。其工作原理为：电磁阀在未通电时，可动铁芯在其上端的弹簧力和自身重力作用下，通过橡皮膜，关闭住导流孔，这样进水腔内的水压与橡皮膜和塑料导阀之间密闭腔内的水压相等，使橡皮膜牢牢压住阀体中的水管口，切断了水流，保证了进水阀的正常关闭。当电磁阀接通电源后，由于电磁力的作用，可动
42、铁芯被吸起，中心孔被打开，这时橡皮膜和塑料导阀间的空腔压力低于进水腔内的袭来水压，橡皮膜被顶开，电磁阀开始进水工作。4.3排水阀与电磁铁排水阀工作时，由排水电磁铁将它打开，与此同时，它还带动刹车臂转动，放开刹车带和棘轮，使的脱水轴能够自由转动。交流电磁铁由固定铁芯、线包电磁线圈和衔铁三部分组成。当它的线包接通220V交流电时，由于电磁感应的作用，定子铁芯使对衔铁产生吸引力，将衔铁吸合，同时拉动排水阀的拉杆和橡胶密封膜，打开水门防水，并带动刹车零件动作，使后面的一系列工作顺利进行。4.4水位开关和水位传感器水位开关是波轮式全自动洗衣机控制洗涤桶中水量的电器件。洗衣机的洗涤桶中水位的高低代表着桶内
43、水量的多少。在向桶内注水时，当水位达到一定高度后，水位开关将切断电磁进水阀的电路，同时，通过PLC接通洗涤电机的电路，完成进水与洗涤电路的交换。在排水时，当水位降到脱水桶底以下时，它也将接通或断开相应的电路，完成预定的工作。4.5减速离合器早期设计的小波轮全自动洗农机的离合器没有减速功能，故洗涤和脱水转速相同。新型大波轮全自动洗衣机的离合器都具有洗涤减速功能，称减速离合器，其种类很多，但主要结构和工作原理基本相同。目前应用最为广泛的有两种：单向轴承式减速离合器与带制动式减速离合器。4.6电机和电容电机是自动洗衣机的心脏，是整个洗涤工作的动力来源。工业上用的电机各式各样，规格型号数不胜数，其中按
44、使用电源可以分为交流电机和直流电机两种。交流电机又分为异步电机和同步电机。洗衣机上所用到的电机是单相电容起动运转式异步电机，使用220v交流电源。全自动洗衣机上使用的电机输出功率一般150W以上，配12F以上的电容器。这种电机的特点是启动转矩大，过载能力强，可以充分满足洗衣机负载频繁变化的使用要求。在洗衣机中使用的电机都要配接电容器。电容器的作用是加大电机的起动转矩和工作转矩，它还起确定旋转方向的作用。在洗衣机中使用的电容器一般都是纸介质或塑料介质的。电容器容量的大小一定要按照电机的要求选配，容量大了，容易使电机升温过高，缩短电机寿命；容量小了，会降低电机的起动转矩和过载能力。电容器的电压也要
45、按照电机标牌的要求选配，一般洗衣机电机对电容器的要求电压为400伏到450伏交流电。第5章 基于三菱PLC的全自动洗衣机的设计5.1控制要求（1）设定水位选择开关，按下启动按扭（2）注水直到高（中、 低）水位，关水（3）2s后开始洗涤（4）洗涤时，正转28s，停2s，然后反转28s，停2s（5）如此循环6次，总共360s后开始排水，排空后脱水90s（6）开始清洗，重复（2）（5），清洗两遍（7）清洗完成，报警3秒并自动停机（8）若按下停车按扭，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）5.2硬件电路设计5.2.1PLC选型PLC是一种用作数字控制的专用电子计算机，它根据用户给的指令，通过输入接口
46、现场采样信息执行逻辑或数值运算，再通过输出接口去控制各种执行机构动作。它主要由CPU、存储器、I/O接口模板三部分。它是整体模块形式，由它作为洗衣机控制系统，在硬件设计上就相对简单点。通过对结构图的分析，可知全自动洗衣机的I/O点不多，选择抵挡的三菱FX2N系列FX2N-32MR，可以完全满足其要求，FX2N-32MR有32个I/O，根据输入，输出口的总点数，考虑留有适当余量，采用三菱FX2N-32MR型PLC，可满足设计要求。5.2 .2I/O点分配根据洗衣机操作的工艺过程及对控制系统的要求，首先归纳本系统中所有输入信号和输出信号；然后根据PLC的输入点和输出点进行I/O地址分配，使每个输入信号对应PLC内部的输入继电器，每个输出信号对应PLC内部的输出继电器。PLC洗衣机控制的I/O地址分配如表所示。I/O地址信号名称功能说明备注X001启动按钮开启洗衣机运行常开X002停止按钮关闭洗衣机运行常开X003高水位开关选择高水位常开X004中水位开关选择中水位常开X005低水位开关选择底水位常开X006排空检测开关排空时接通常开X007高水位检测开关高水位时有信号常开X010中水位检测开关